ANÁLISIS DE FALLA MECÁNICA EN COMPONENTE DE
IGNICIÓN 1 Rojas Godínez Luis,
2Ballesteros Martínez Luis,
1Orozco Horacio
2Matus Edgardo.
1Departamento de Ingeniería Mecánica, Instituto Tecnológico de Celaya. Av. Tecnológico Esq. A.
García Cubas S/N, CP 38010. Celaya, Guanajuato, México.
2Mabe, Tecnología y Proyectos
Acceso B # 406, Parque Industrial Jurica, Querétaro, Qro. C.P. 76120
Tel. (4) 211 4920, Fax (4) 211 4800,
[email protected] [email protected] [email protected]
RESUMEN
El presente trabajo describe la metodología de
análisis de falla por fractura mecánica, la cual
ocurre en un componente de ignición de material
cerámico cuya función principal es propiciar la
combustión en una secadora de ropa de tipo
doméstico; cuando esta falla ocurre la secadora deja
de secar la ropa.
A través de un diagrama causa-efecto es que son
planteadas diferentes hipótesis por las cuales el
componente de ignición falla mecánicamente, para
la aceptación y/o rechazo de las posibles hipótesis
(causas potenciales de falla) diferentes tipos de
análisis fueron realizados (materialográficos, micro
estructurales, de esfuerzos, espectrales de vibración,
modales, y de impacto). Determinando que el
motivo que causa la falla es un impacto, el cual
propicia una microfisura en el componente que
permite a la secadora ser funcional durante un
limitado número de ciclos lo cual se traduce en una
insatisfacción del cliente.
Para asegurar que la causa de falla es la correcta, se
propone una prueba de ¨Reproducción de la Falla¨,
la cual se logra a través de una prueba estandariza
de impactos, aunado a encendidos y apagados del
componente de ignición dentro de una cámara de
humedad, logrando así proponer acciones de mejora
para que esto no suceda.
ABSTRACT This paper describes the methodology of failure
analysis for mechanical fracture, which occurs in a
component of ignition of ceramic material whose
primary function is to facilitate combustion in a
clothes dryer household type, when this fault occurs
the dryer stops drying clothing.
Through a cause-effect diagram is different
hypotheses that are posed why the ignition
component fails mechanically, for acceptance and /
or rejection of the possible hypotheses (potential
failure causes) different types of analyzes were
performed (material graphic, micro structural
efforts, spectral vibration manners, and impact).
Determining that the reason that caused the fault is
an impact, which promotes a microcrack in the
component that enables the dryer to be functional
for a limited number of cycles which results in
customer dissatisfaction.
To ensure that the cause of failure is correct,
proposes a test Fault, which is achieved through a
standardized impact test, coupled with the
component on and off ignition in chamber moisture,
thus proposing improvement actions to prevent this
from happening.
1.0 INTRODUCCIÓN Falla es un término que generalmente se utiliza para
designar que un componente equipo o maquina ha
perdido la capacidad de hacer sus funciones en
servicio. Para que sea falla, se debe cumplir al
menos una de las siguientes condiciones [1]:
I) Componente completamente
inoperable o inservible.
II) componente aun es operable pero
incapaz de cumplir la función para la
cual fue diseñado.
III) Componente deteriorado ha llegado a
una condición seria que lo hace
inseguro.
Para detectar las causas que producen una falla se
requiere de un proceso sistemático llamado análisis
de falla [2]. El proceso se define como el conjunto
de actividades de investigación que aplicadas
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sistemáticamente identifican la o las causas y
establecen planes que permitan su eliminación [2].
El análisis puede llevarse a cabo mediante acciones
sucesivas de integración y desintegración de
eventos, situaciones y condiciones; con estas
acciones se determina el qué, cómo y por qué
ocurrió la falla [3]. La cantidad y calidad de
información obtenida durante los procesos de
análisis de falla, dependen en gran medida de la
experiencia, conocimiento, habilidad de análisis y
métodos utilizados por el analista [4]. Este trabajo
considera como base del análisis, conocer la
historia del diseño, tener una definición clara del
modo de falla, realizar un ejercicio
multidisciplinario para la identificación de causas
potenciales de falla, establecer métodos de análisis
que permitan encontrar la posible relación entre las
causas potenciales y la falla, reproducción de falla a
través de las causas potenciales ya identificadas; y
por último, establecer acciones correctivas y/o
preventivas para evitar que las causas provoquen la
falla y como consecuencia, se mejora el diseño [3].
Una falla mecánica se define como cualquier
cambio en tamaño, forma o propiedad del material
de una estructura, maquina o parte que repercute en
la incapacidad o el funcionamiento correcto para el
que fue creado [5]. Modo de falla se define como el
efecto que produce la falla y existe una
clasificación sistemática para las cuales todos los
modos de falla pueden ser predichos: 1)
manifestación de falla, 2) agentes de la inducción
de falla y 3) lugares de falla [5]. Manifestación de
falla puede ser la deformación elástica o plástica, la
fractura y cambio de propiedad en el material.
Agentes de inducción de falla son fuerza, tiempo,
temperatura y ambiente. Lugares de falla pueden
ser de tipo superficial o de todo el cuerpo.
La falla mecánica por fractura se caracteriza por
ser del tipo frágil o dúctil. La fractura frágil se
manifiesta cuando existe una propagación de grieta
de manera rápida después de poca o ninguna
deformación plástica, la rapidez a la cual la grieta
se propaga de cero hasta su límite, es de
aproximadamente un tercio de la velocidad del
sonido en el material. La fractura frágil se da
primordialmente a lo largo de las fronteras de grano
y también es llamada fractura intergranular, para
que se dé una fractura frágil deben existir esfuerzos
inducidos de manera rápida por cargas dinámicas o
de impacto, este tipo de cargas pueden inducir
esfuerzos y deformaciones locales mucho más
grandes que los producidos de manera estática por
las mismas cargas [5]. Una regla práctica para
distinguir entre sí una fuerza se puede considerar
como estática o dinámica es la siguiente: Si el
tiempo requerido para aplicar la carga (desde cero
hasta su valor total) es mayor de 3 veces el periodo
natural de vibración (τn) del componente, los
efectos dinámicos son insignificantes, y puede
considerase la carga como estática. Si el tiempo
para aplicar la carga es menor a 3 veces el periodo
natural de vibración los efectos dinámicos deberán
ser considerados. Más aún, si el tiempo para aplicar
la carga es menor a un medio del periodo natural de
vibración del componente; deberá ser considerada
como de impacto [9]. El periodo natural de
vibración es el inverso de la frecuencia natural y
nos dice la forma en que vibrara cada cuerpo, La
frecuencia natural es un valor característico que
poseen todos los cuerpos con masa y rigidez.
En las secadoras de gas de tipo doméstico, existe
una falla en el componente de ignición del gas LP o
natural (Figura 1.1). El material del componente de
ignición es carburo de silicio (SiC), la ignición del
gas es por medio de temperatura a 1700 C. Algunas
de las fallas presentadas en este componente
reportadas por usuarios se muestran en las figuras
1.2, 1.3 y 1.4. Como se puede observar la falla es
una fractura frágil y en la figura 1.3 se puede
observar mayor detalle de la falla por fundición de
la pieza debido posiblemente a una micro fisura.
Esta falla se presenta cada vez en mayor cantidad
de unidades, lo que significa una confianza menor
en el producto al reportar los usuarios que su
secadora no ¨seca la ropa¨. Este componente debido
a su localización y funcionamiento está sometido a
contaminantes externos como lo pueden ser gas
natural o LP, humedad, sales y detergentes, estudios
anteriores indican que las condiciones ambientales
en el desarrollo de cualquier falla juegan un rol
importante ya que propician la degradación de los
materiales acelerando la falla [5]. Además, el
componente de ignición puede estar sujeto a fuerzas
de excitación como son vibración e impacto por
elemento generadores de vibración internos o por el
propio manejo de la secadora.
Figura 1.1 componente
cerámico de ignicion
Carburo de Silicio
(SiC)
Estatita
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2.0 ANALISIS DE FALLA DE
COMPONENTE DE IGNICION. El Proceso de análisis de falla sugiere la aceptación
o rechazo de diferentes hipótesis a través de un
proceso sistemático y metodológico (figura 5), con
la finalidad de poder definir la causa y secuencia de
eventos que la producen. Los pasos a seguir se
presentan en la figura 2.1 [3].
2.1 Historia del diseño El uso de materiales cerámicos tiene gran
importancia en aplicaciones donde existen altas
temperaturas y condiciones ambientales adversas.
Óxidos, carburos, boruros y nitruros son los más
ampliamente usados. Durante 1960 y 1970, los
cerámicos basados del silicio fueron
extensivamente desarrollados, algunos de estos son
el carburo de silicio (SiC) y nitruro de silicio
(Si3N4). Para el carburo de silicio los caminos más
consolidados para su fabricación son la reacción de
pegado, el prensado en caliente y el sinterizado [7].
En 1970 y por parte del departamento de energía
(DOE por sus siglas en inglés), un estudio de
corrosión-erosión de varios cerámicos comerciales
fue hecho [6]. Varios tipos de SiC y Si3N4 fueron
examinados después de la exposición a ambientes
controlados de laboratorio y a ambientes derivados
de la combustión de gases. El daño fue evaluado
por la facilidad de degradación y a través de una
examinación microscópica. El ambiente de
combustión tiene una condición más severa de
corrosión que un ambiente de laboratorio. Esto fue
atribuido al vapor de agua y a la fatiga térmica en
los ambientes de combustión.
El estudio de la corrosión/oxidación ha sido
incluido en muchos programas de desarrollo, así se
pueden mencionar algunas conclusiones que serán
útiles para nuestro análisis [6]:
1. Los compuestos SiC y 𝑆𝑖3𝑁4, son
aparentemente los materiales cerámicos
más prometedores para escenarios donde
las altas temperatura existen.
2. Los materiales SiC y 𝑆𝑖3𝑁4 muestran bajas
velocidades de oxidación y una buena
resistencia al esfuerzo en ambientes de
corrosión normales.
3. La oxidación a altas temperaturas crea
depósitos en la superficie que permiten la
degradación
4. Los depósitos de sal u oxido permiten que
en la superficie exista degradación.
5. Los efectos del cambio de temperatura
también puede tener efectos, en algunos
casos estos ciclos tienen poco efecto, en
otros casos pueden permitir la falla.
El material del componente de ignición es Carburo
de Silicio (SiC) al 99%, su especificación de
resistencia eléctrica es entre 42-150 Ω, el
componente de ignición tiene también estatita que
soporta al carburo de silicio (figura 1). Como
referencia, el componente de ignición alcanza una
temperatura de 1700 C, al alcanzar esta temperatura
un sensor permite que la válvula de gas se abra y
con la existencia del aire en el ambiente inicie la
Figura 1.2 Figura 1.3
Figura 1.4
1. Historia del diseño
2. Definición del modo de falla
3. Identificación de causas potenciales
4. Métodos de análisis
• Pruebas destructivas
• Pruebas no destructivas
5. Reproducción de falla
6. Acciones correctivas Preventivas o de mejora al diseño
Figura 2.1 Metodología del análisis de falla [3].
Fallas detectadas en campo
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combustión. Los motivos por el cual se tiene un
elemento resistivo en el diseño de las secadoras de
gas en lugar de una chispa, es porque permite tener
mayor control en el comportamiento de la flama, ya
que evita fenómenos de flama que también son un
problema, como lo es la separación de flama
retorno de flama (flash back) incluso existen
normas que evalúan este comportamiento (ANSI
Z21.5.1), además el control a la salida del gas con
un elemento resistivo es más confiable.
La posición del componente de ignición es dentro
de la cámara de combustión, por debajo del
quemador (figura 2.2), y cercano a él existen
elementos generadores de vibración como lo es el
ventilador, el motor, el tambor, la banda del tambor
trabajando a diferentes frecuencias de operación
(tabla 2.1).
2.2 Definición del modo de falla Las fallas que se presentan en este componente hoy
en día se muestran en las figuras 1.2, 1.3 y 1.4. La
figura 1.2 y 1.4 muestra una fractura frágil al pie
del radio, presumiblemente por alguna carga
dinámica o de impacto, además esta zona puede ser
la parte más débil de la pieza. Por otro lado; la
figura 1.3 muestra una falla no de clivaje sino más
de fundido de la pieza, donde la pieza no se quebró
pero por alguna alteración mecánica o química
llego a fundirse, en esta condición dejo de encender
y por consecuencia cumplir su función. El 71% de
este tipo de fallas ocurren durante los primeros
1500 ciclos de encendido y apagado del
componente de ignición.
2.3 Identificación de
causas potenciales. Un diagrama causa-efecto fue usado para
determinar las causas potenciales de falla (figura
2.3). Se dividieron de acuerdo a su origen en causas
de falla por material, diseño, procesos de
manufactura y ensamble y/o por condiciones de
operación. Cada una de estas causas potenciales
tendrán que ser aceptadas o rechazadas a través de
pruebas de hipótesis. Para la aceptación o rechazo,
fueron usadas diferentes técnicas y herramientas
como lo son análisis modal (numérico vía Elemento
Finito y experimental), análisis de vibración,
análisis de impacto y materialograficas.
Para conocer las características de la falla y
determinar si se dio por algún defecto en el
material, se realizó un análisis por microscopia
electrónica de barrido (MEB por sus siglas) y por
análisis materialografico, en las piezas falladas en
campo y en una pieza nueva.
Mediante el análisis MEB se encontró que las
muestras falladas tenían depósitos de sales en la
superficie (figura 2.4 y 2.6), mientras que la
muestra nueva no, además la muestra nueva no
contenía ningún otro tipo de contaminante o defecto
(figura 2.5), solo contenía carburo de silicio (SiC)
como componente principal, esto nos puede indicar
que los defectos en el material provenientes del
proveedor no existen.
Los depósitos de sales en la superficie de las piezas
falladas están formadas por elementos como
Carbono, Oxigeno, Magnesio, Aluminio, silicio,
Cloro, potasio, Calcio y azufre (figura 2.6), estos
elementos pueden provenir de las condiciones
ambientales en la zona de operación, el jabón o el
gas combustible, en este análisis se observó
también la formación de óxido de silicio (SiO2), la
reacción del carburo de silicio (SiC) en oxido de
silicio (SiO2) es producto de una alta temperatura
[7], este incremento de temperatura puede ser
debido a un arco eléctrico, para que se forme un
arco eléctrico debe existir una fisura en el
componente que disminuya el área para el paso de
corriente, en consecuencia la corriente y la
temperatura en esta zona incrementara.
La fisura o microfisura en el componente puede ser
inducida por cargas dinámicas o de impacto que
alteren la condición mecánica de este.
Dentro de la secadora existen elementos
generadores, transmisores y amplificadores de
vibración mecánica; los elementos generadores
operan a diferentes frecuencias. Mediante un
análisis espectral se identificaron las frecuencias de
operación de las cargas dinámicas a las que se
somete el componente (Tabla 2.1), si la frecuencia
Figura 2.2 Ensamble componente de
ignición.
Figura 2.3 Diagrama causa-efecto de falla.
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Tabla 2.1 Frecuencias de operación
dentro de la secadora.
de estas cargas coincide con la frecuencia natural
del componente una condición de resonancia se
presentará.
A través del paquete de simulación ANSYS
TM se
realizó un análisis modal, donde se determinaron
las frecuencias naturales del cerámico, se hizo de
manera experimental y numérica debido a que la
masa del acelerómetro es aproximadamente el 10 %
de la masa del componente y esto puede traer
problemas al análisis modal experimental teniendo
un error en la obtención de la frecuencia natural
[12].
Este análisis modal-numérico requiere de un
fundamento claro para su comprensión y
utilización. Con esta técnica se obtienen las
características dinámicas inherentes de una
estructura, en forma de frecuencias naturales, y
formas modales.
Matemáticamente, el análisis modal se puede
expresar por una ecuación de onda [12], la cual sea
capaz de describir la dinámica de la secuencia de
vibraciones de un sistema mecánico y de la cual se
puedan determinar las frecuencias naturales y las
formas modales.
Las frecuencias y modos de vibración son los
eigen-valores y eigen-vectores de las ecuaciones
que describen el movimiento del sistema, y cada
uno actúa en el sistema dependiendo la excitación
de la fuente ya que entre más cercano sea la
frecuencia de la fuente respecto a los valores de
frecuencias naturales del cuerpo o sistema, se dice
que este cuerpo entra en resonancia, esto significa
que la amplitud de su vibración puede llegar a ser
catastrófica.
El análisis teórico o analítico de un sistema de n-
grados de libertad. Cuando no existe excitación
externa sobre la estructura y su amortiguamiento es
cero, entonces se puede escribir la ecuación 1 como
[12]:
[𝑀] + [𝐾]𝑋 = 0
Una posible solución de esta ecuación es:
xi = yisen(wit − ∅i)
Donde wi y ∅i son las frecuencias naturales y
ángulos de fase, respectivamente, correspondientes
a la i-ésima forma modal yi. Sustituyendo la
solución (2), en la ecuación (1) y eliminando
sen(wit − ∅i), se obtiene:
([K] − wi2[M])yi = 0
Como el objetivo es determinar las frecuencias
naturales wi y su correspondiente forma modal yi, una solución no trivial de la ecuación (3),
requiere que el determinante de la ecuación sea
igual a cero, es decir:
det([K] − 𝜔𝑖2[M]) = 0
La ecuación anterior se le conoce como ecuación
característica del sistema y sustituyendo cada valor
wi2 dado por la ecuación (4), en la ecuación (3), se
obtiene un valor para la correspondiente forma
modal yi. [10]
Cada solución wi2 de la ecuación (4) se conoce
como un eigenvalor o valor propio y, para cada
eigenvalor, corresponde un eigenvector o vector
propio yi. La frecuencia natural wi más pequeña
es llamada “frecuencia natural fundamental” y su
correspondiente forma modal yi “modo
fundamental de vibración”.
El análisis del componente cerámico se hizo en
condición libre-libre importando el modelo CAD
con las propiedades de cada material
proporcionadas por el proveedor mostradas en la
tabla 2.2, en el análisis se consideraron dos tipos de
materiales (SiC y estatita). El mallado utilizado
para este análisis lineal fue libre con la opción de
Smart size con el elemento solid 45 [11] para
ambos materiales (tabla 2.2).
Los resultados de las frecuencias naturales de la
simulación y experimentales se muestran en la
figura 2.7.
Componente Frecuencia de
operación (Hz) Motor ventilador 48 a 50
Ventilador 960 o 1000
Tambor 0.8
Figura 2.4 Muestra fallada. Figura 2.5 Muestra nueva.
Figura 2.6 Análisis MEB de muestra fallada.
(1)
(2)
(3)
(4)
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Frecuencia
eléctrica
60
Par Motor 120
Propiedad SiC Estatita Acero
bracket Modelo
constitutivo
del material
Isotrópico
elástico
Isotrópico
elástico
Isotrópico
elástico
Módulo de
elasticidad 255x109
N/𝑚2(dato
de
proveedor)
138 x109
N/𝑚2
200x109
N/𝑚2
Coeficiente
de poisson
0.2 (dato de
proveedor)
0.1 0.3
Densidad 2700
Kg/𝑚3(dato
de
proveedor)
2710
Kg/𝑚3
7850
Kg/𝑚3
Elemento
utilizado para
mallar
Solid 45 Solid 45 Shell 63
Considerando que las frecuencias de excitación son
bajas respecto a las frecuencias naturales del igniter,
hace suponer que esta primer frecuencia natural de
1852 Hz podría ser la excitación proveniente de
algún impacto al producto o al componente [8]. Del
análisis modal se puede obtener la zona donde se
encuentra el esfuerzo máximo, pero su magnitud
NO puede ser interpretada como un valor real, solo
indica la zona donde ocurriría con mayor
probabilidad una falla por una excitación dinámica,
en este caso, a la primer frecuencia natural (figura
2.8).
Daño Mecánico por vibración
El componente cerámico tiene un bracket metálico
que lo sostiene (figura 1.2), este ensamble puede
entrar en resonancia por la excitación de algún
componente dentro de la secadora, para esto se
realizó también un análisis modal con el software
ANSYSTM
con propiedades de la tabla 2.2, el
mallado utilizado fue libre con la opción de Smart
size [11], el bracket se sujetó del barreno (en todos
los grados de libertad) que tiene para ensamblarse
en la secadora. Para no tener singularidades en el
análisis se acoplaron los nodos que se comparten
entre el bracket metálico y la estatita ya que los
elementos utilizados en el mallado tienen diferentes
grados de libertad [11]. Los resultados obtenidos
son mostrados en la tabla 2.3:
Modo de vibración Frecuencia natural (Hz)
1 48.5
2 60.6
3 139.6
4 261.08
La primer frecuencia natural puede entrar en
resonancia debido a que estos 48 Hz son cercanos a
la frecuencia de operación del ventilador de la
secadora, el primer modo de vibración, se presenta
en la figura 2.9. Para validar esta hipótesis de falla
se sometió un ensamble del componente a una
vibración de 48 Hz mediante un ventilador con un
desbalance. La amplitud de vibración inducida al
ensamble fue de 1.5 g de amplitud (15.8 veces más
que una condición normal de operación), además de
la excitación de vibración el igniter se sometió
también a ciclos de encendido apagado (20 y 30 s
respectivamente).
Después de 21 horas de operación bajo estas
Figura 2.8 Zona de esfuerzo máximo
de la primera frecuencia natural.
Tabla 2.3 Frecuencias naturales de ensamble igniter.
Tabla 2.2 Condiciones de análisis
modal del ceramico.
1852 Hz
2092 Hz
2603Hz
Zona de esfuerzo máximo
Figura 2.7 Análisis modal
numérico y experimental
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condiciones, se presentó una falla, pero no la que se
esperaba, sino la del bracket metálico que la
soporta, (en su zona de esfuerzo máximo, obtenida
por medio de ANSYSTM
) (figura 2.10). Este modo
de falla no es el que se busca, ya que no es similar a
las fallas de campo.
Daño por impacto en producto
Debido al manejo de la secadora (transporte,
instalación o movimiento), se pueden presentar
impactos en el producto, generando cargas
dinámicas sobre el componente de ignición.
Esta hipótesis de daño se evaluó al someter la
secadora a dos tipos de prueba, caída en plano
inclinado y caída libre de la secadora (figura 2.11),
de acuerdo a estándar de prueba ETP 921 [13],
propiedad de la empresa.
Una manera de detectar alguna falla en el cerámico
es a través de la medición de su resistencia
eléctrica, ya que una fisura o micro fisura cambiaria
drásticamente su valor de resistencia al inicio y
final de la prueba por ser un material cerámico
frágil, en esta prueba no se encontró ninguna
diferencia, y el cerámico continúa encendiendo.
Daño por condiciones atmosféricas
Se sometieron en una cámara de detergencia 4
componentes a condiciones de salinidad al 4% y de
humedad al 100% de acuerdo a la prueba
estandarizada (E9C25) propiedad de la empresa
para demostrar la hipótesis de daño por degradación
de material [7]. La duración total fue de 240 h
repartidos en dos ciclos (figura 2.12), se midió
resistencia al inicio y final de cada ciclo y se
encendió cada uno. No se encontró ninguna falla y
como se puede observar en la figura 2.12 la
degradación en el metal es evidente pero en el
cerámico no ocurre el mismo caso, se puede decir
que el material SiC del ceramico es suficientemente
resistente como para soportar condiciones de
salinidad y humedad [7].
Debido al manejo del componente cerámico, o al
ensamblarlo en la secadora se puede someter a
impactos directos en el cerámico modificando sus
propiedades mecánicas. Para validar esta hipótesis
de falla se sometieron cerámicos a impactos
directos de 12.5 g de aceleración (figura 2.13)
mediante un cilindro de acero golpeando en su parte
central, hasta que su resistencia eléctrica variara. En
esta prueba se observó que no se necesita mucha
Figura 2.9 Primer modo de vibración
ensamble.
Figura 2.10 Falla de bracket
metálico.
Figura 2.11 Prueba de caída libre de
secadora.
Figura 2.12 cerámico después 240 h
en cámara de detergencia.
Ciclo 1 Ciclo 2
Zona de esfuerzo máximo
Sujeción
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energía de impacto para generar microfisuras que
repercutan en un cambio de resistencia eléctrica,
además, aunque después del impacto su resistencia
sea infinita (sin continuidad) el cerámico sigue
encendiendo formando arcos eléctricos en la zona
de fractura, la zona que tiene estos arcos es sujeta a
temperaturas mucho más elevadas que todo el
cuerpo ya que su resistencia es mayor, permitiendo
mayor degradación en esta zona y además
permitiendo la reacción del óxido de silicio (figura
2.14).
Después, estos ceramicos se sometieron a ciclos de
encendido apagado (20 y 30 s respectivamente) en
condiciones atmosféricas. Todos los igniters
probados dejan de encender después de un número
determinado de ciclos (1100, 900 y 700 ciclos),
dejando una falla como la mostrada en la figura
2.15.
2.4 Reproducción de falla. Se sometió a ciclos de encendido-apagado (20 y 30
s respectivamente) en una cámara de humedad un
componente de ignicion con una micro fisura
inducida por el método estandarizado de impactos
mostrado en la figura 2.13.
Las condiciones controladas de la cámara de
humedad son: 85 % de humedad relativa y 85 C
de temperatura (figura 2.16).
Se observó una falla a los 400 ciclos, similar a la
muestra fallada en campo (figura 2.17), bajo estas
condiciones la falla se acelera debido a que la
humedad acelera el proceso de degradación [7].
Esta falla es la que más afecta a nuestro proceso (71
%) ya que permite que la secadora funcione un par
de días para que después deje de secar.
En estas muestras se hizo también un análisis MEB
(figura 2.18) para corroborar si la falla es similar.
Como se ve, existe aquí también la reacción del
carburo de silicio (SiC) en oxido de silicio (SiO2),
los demás elementos encontrados en las muestras
de campo se pueden dar por las condiciones
ambientales y por el gas combustible.
Con esto se puede concluir que la falla de mayor
impacto se encontró.
2.5 Acciones correctivas. Debido a la fragilidad del componente cerámico y a
su poca capacidad para absorber energía se debe
asegurar al 100 % que este no se dañe antes de ser
ensamblado o al ser ensamblado en la secadora.
Como medida de contención se determinó que se
debe medir la resistencia de cada componente en
tres ocasiones: al llegar del proveedor en inspección
recibo, al llegar a la línea de ensamble y después de
ser ensamblado en la secadora esto para saber los
índices de cuantas son las piezas defectuosas que
manda el proveedor, cuantas se dañan del almacén a
la línea, y cuantos se dañan al ensamblarlo.
Ambiente controlado: Humedad relativa 85 % T
Figura 2.14 componente de
ignicion con arco eléctrico.
Señal de aceleración a cada
impacto
Acelerómetro
Figura 2.13 Impactos directos a
ceramico.
Figura 2.15 Falla de igniter en
condiciones atmosféricas.
Figura 2.16 Cámara de humedad en el que se sometió a ciclos de encendido el igniter.
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3.0 CONCLUSIONES
Dentro del análisis de falla es necesario el uso de
una metodología, además, con el uso de una
metodología el tiempo y orden del análisis mejoran
significativamente garantizándonos tener más éxito
encontrando la causa raíz de falla.
Para llegar a la causa raíz de la falla son necesarias
herramientas y técnicas multidisciplinarias que
engloben el entorno del componente a analizar, en
ocasiones son necesarias incluso técnicas que no
son comúnmente empleadas como el FEA, ya que
nos permiten entender fenómenos de forma más
clara, como en este caso de estudio donde se
necesitó del análisis modal numérico para tener
mayor seguridad en la obtención de la frecuencia
natural debido a que la masa del acelerómetro
sobrepasaba el 10% de la masa del componente
cerámico lo cual puede traer errores en el método
experimental. Dentro del análisis modal por medio
de elemento finito se encontró la zona de esfuerzo
máximo que se presenta cuando el cerámico es
excitado en su primer frecuencia natural (debe ser
claramente entendido que los valores de esfuerzo
obtenidos en este análisis no deben ser
interpretados como esfuerzos reales), esto nos da
una clara idea de la zona que presentara un esfuerzo
mayor cuando el componente es excitado ya sea por
una vibración a esa frecuencia o por algún impacto.
Debido a que las frecuencias naturales del
componente eran muy altas se consideró que la
excitación de la primer frecuencia natural podía
ser un impacto, además como este componente
es un cerámico frágil, la excitación de la primer
frecuencia natural por impacto nos llevaría a
una posible fractura, que llevaría a una
separación de material dentro del componente
produciendo arcos eléctricos y dejando como
rastro oxido de silicio debido a las altas
temperaturas. Esto fue verificado en la
reproducción de falla.
En teoría todos los análisis de falla deberían tener
una reproducción de falla que nos asegure que las
condiciones determinadas son las causantes de la
falla, aunque en ocasiones los componentes fallados
son muy caros o escasos, debido a esto el estudio
aquí presentado es de importancia, ya que las
causas fueron aisladas una a una para tener certeza
en las acciones correctivas a tomar.
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Figura 2.18 Análisis MEB a muestra fallada en laboratorio.
Figura 2.17 Falla de igniter en prueba y de laboratorio.
Falla igniter en prueba Falla igniter en laboratorio
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